广视角补偿原理及广视角技术的应用

    多年来薄膜电晶体液晶显示器（TFT-LCD）一直是被寄予厚望的科技产品，延伸转变到今天已成为现实产品。厂商不断的更新显示结构、提升制程技术及提高大型化量产能力，而今产品应用终能落实扩展到完整的领域。

    完整的TFT-LCD家族应该涵盖有手机、数码相机、数码摄影机（Digital Video Camera,DVC）、个人数码助理（Personal Digistal Assistant，PDA）、AV、车用浏览器面板（Car Navigator）、平板电脑（Tablet PC）、笔记型电脑、显示器、液晶电视（LCD TV）等应用。在此之前的液晶显示器采用的多是传统的扭转向列式（Twisted Nematic,TN）显示模式，此模式的产品确也撑起了这行业的几年兴衰，但当多家面板厂商前仆后继的投入生产后，供需的起伏确实让此产品有着强烈的景气循环依存性，不过这样的状况到了最近一两年已经改观。多样性的显示技术和面板大型化，让TFT LCD产业破网而出，似乎想就此向景气循环划清界限。其中所谓的多样性显示技术，受瞩目的两大新课题即为广视角（Wide Viewing Angle）和反射式（Reflective Type）技术。本文即针对一般不常提到的广视角补偿原理和广视角技术的产品应用情形加以说明。

广视角补偿原理及技术发展

    TFT-LCD使用液态晶体做为光切换介质，事实上晶体就是有方向性的物质，因此在光线切换上也有角度依存性，这也是为什么液晶显示器有视角上的问题。此外，液晶在不同电压下的排列不同，看到的光学结果也随之变化。也就是说，液晶光学特性是同时随视角和电压所影响。

    对比（Contrast Ratio,CR）的定义，一般不特别说明是指垂直方向对比，乃垂直方向所视最亮状态TB除以最暗状态TD的比值，分别是操作在两个电压下。以寻常白（Normally White,NW）操作模式而言，最小电压Vmin的是最亮状态，而最大电压Vmax的是最暗状态；寻常黑（Normally Black,NB）操作模式则相反。同样以此两电压操作液晶，斜向观察到的亮度会各和垂直方向有异，也代表斜向对比跟着改变，通常斜向角度越大观察到的CR越小。

    基本的视角（Viewing Angle）定义，就是在CR仍有10的最大斜向角度。事实上一个液晶显示器的视角好坏，应该仍有依照色偏（Color Shift）、灰阶反转（Gray Level Inversion）、穿透率均匀性（Transmittance Uniformity）等因素之最差可接受程度所在斜向角来定义，只是目前的视角定义几乎仍以CR为判断依据。而CR值的好坏受暗态TD影响最大，因其位于分母，故欲补偿液晶盒（LC Cell）的视角应专挑暗态来补。

    增加液晶显示器视角有补偿膜（Compensation Film）、多域画素配置、本质上液晶配置以及自我补偿等四种方式，以下将分别讨论。

补偿膜方式增大视角

    利用补偿膜补偿视角的目的有二，一是补偿上下互为正交（Orthogonal）的偏光片组之斜向暗态漏光；二是补偿液晶本身在斜向角度观察下会有的暗态漏光。前者的补偿相当简单，可在两偏光片的某一片上加上a-plate，如图1所示；后者在理论上可用一个层层向上对称于液晶层光学折射率异方性（Refractive Anisotropy）分布但异型的光学晶体补偿，如图2所示。至于补偿视角所用的补偿膜是固定不动的晶体，不若液晶本身可施加电压改变晶体分布状态，因此针对第二种情况，便只能选择某一液晶层分布状态为基准来补。故以垂直本身配向（Vertically Aligned或称Homeotropically Aligned，一般用在Normally Black）和水平配向（Homogeneously Aligned，一般用在Noormally White）两种方式类的显示模式，若要使用补偿膜来补偿暗态斜向漏光以扩增视角，就需分别使用负型的c-plate和负型的o-late（见图1）。几乎所有的液晶显示模式想要达成广视角，都必须加上补偿膜，基中扭转向列式液晶配合补偿膜的Film TN则单独使用此种方式来增大视角。

多域画素配置方式

    有了补偿膜方式，事实上只能针对某一液晶层倾倒分布状态（通常为最暗状态），故此状态之外的其他灰阶状态并无法靠补偿膜补，补偿膜顶多只能说是做到暗状态TD的补偿，在灰阶间的液晶分子倾倒排列，需另觅途径补偿，使用液晶本身的多域（Multi Domain）补偿，是个再好不过的方式。这种方式虽说不能完美的补掉各不同视角下看到的液晶位相差值（Phase Retardation）不同的问题，但可以达到不同灰阶会自动调整不同补偿之优点，特别对于视角变大时之灰阶反转特性有极大的改善，这是补偿膜所做不到的。因此一个真正好的广视角液晶显示技术除了要有补偿膜补偿视角，还要有多域画素配置方式。

    一般的TN显示模式顶多做到补偿膜补偿视角方式，因此此种模式想要再增加多域设计，会在实际量产制程上遇到技术瓶颈，也就是需要让一个画素的各种领域（Domain）有不同的配向（Rubbing）方向，然而并非没有此方式的结构，只有限于文献报导或留于原型（Prototype）的层次。但在垂直配向（VA）上的应用则非常实用，且堪称TV的标准配备，这乃因为VA的配向可用画素本身结构设计达到的非操作时之多域预倾（Pretilt）及操作时的多预横向电场倾倒驱动，解决了需靠Rubbing来达成多域的实际量产难题。因此VA都可轻易导入多域的设计，即所谓的MVA（Multi-Domain VA），让大视角（Polar Angle）下之不同方位角（Azimuthal Angle）看到的光学在任何方向平均，没有强烈的方向依存性。由富士通（Fujitsu）提出的MVA即是此种增大视角方式的代表性显示模式，其他如Samsung提出的PVA（Patterned VA）、Sharp提出的CPA（Continuous Pine-Wheel）也都属于这种技术。

共平面切换显示模式

    晶体是有方向性的物质，在光学上一定有角度依存性，这也是为什么液晶显示器有视角上的问题，不过众多的液晶显示模式中，一定存在一种液晶分子切换排列配置是有本质上较好的视角特性，这种模式就是让液晶分子只在同一平行于偏光片平面上切换的方式，称之为共平面切换（In-Plane Switching,IPS）模式。从晶体光学的角度来看，它有着本质上的广视角，并不需要补偿膜做光学补偿就可在各个大视角达到很缓和的光学差异变化。事实上，IPS于方位角上的光学差异变化并非同样如此缓和，只不过就人体工学而言，人们去看一个显示器时，在大视角上变换的机会远多于在方位角上的变换。况且IPS仍可藉由楔型电极的安排以一次Rubbing配向达成Azimuthal上的多域设计，一般设计成2 Domain的方式，即为Matsushita提出的Super-IPS（S-IPS）结构。当然，IPS的广视角使得我们不需补偿液晶本身在斜向角度观察下的暗态漏光，也就是说IPS完全不用补偿膜在广视角表现上就已相当好，但毕竟上下互为正交的偏光片组斜向暗态漏光仍然存在，为求更完美的视角特性表现，Hitachi进一步把此补偿加在其Advanced Super-IPS（AS-IPS）上。[page]

自我补偿方式

    上述的三种方式几乎都是整个广视角技术上的运用主流，事实上，广视角还存在一种光学补偿方式，即为自我补偿（Self-Compensated）方式，见图3。光学补偿弯曲（Optically Compensated Bend,OCB）模式则是此代表性广视角技术，它也是一个反应速度极快（～5ms）的液晶模式。这种方式和Multi-Domain很类似，特别对于视角变大时之灰阶反转特性有极大的改善。但相对应还需很复杂的光学补偿，特别在正向对比及视角色偏上补偿不易。

广视角技术分类

    广视角技术可分为四大类，即（1）Film TN；（2）MVA系列：Conventional MVA、Premium-MVA（P-MVA）、PVA、CPA、SVA…都属此类；（3）IPS系列：Conventional IPS、Super-IPS（S-IPS）、Ad vanced Super IPS（AS-IPS）、Fringe-Field Switching（FFS）Ultra-FFS…都属此类；（4）OCB。 

     
    以上详述了各类广视角补偿原理及其目的，事实上，现在存在的几种产品化技术中，只有运用到前三项，而MVA和IPS两项则是开发大尺寸电视应用之液晶显示器的唯二选择。OCB因光学补偿不易，制程稳定性不够，加上其特有的快速反应时间也渐渐被IPS和MVA以外部驱动讯号技巧拉近差距，故前途未卜。现存可产品化的各种广视角技术发展详见表1

广视角液晶显示器的光学要求要点

    除了以对比仍有10的最大斜向角度值为基本的视角定义外，要让液晶显示器的视角特性好，还要考虑色偏、灰阶反转、穿透率均匀性等因素。利用补偿膜、多域画素配置、本质上液晶配置、自我补偿四种技巧来达成这些光学特性上的广视角要求。

1.穿透率均匀性的广视角要求
    不同液晶显示模式之穿透率均匀性和视角的关系，表现的优劣程度依序为IPS（2-Domain）＞IPS（Single Domain)＞VA（2-Domain）＞TN＞VA（Single Domain），这是因为IPS从晶体光学的角度来看，本质上在各个大视角上有很缓和的光学差异变化。事实上，IPS于方位角上的光学差异变化并非同样如此缓和，但无论如何Single Domain已够好，若还要更好，Azimuthal上的2-Domain设计可更加强其穿透率均匀性。
2.对比、色偏、灰阶反转的广视角要求 
    针对对比、色偏等各种广视角液晶显示器的光学要求比较了TN、MVA、IPS系列之广视角技术水准。其中的对比和灰阶反转两项和液晶晶体的视角有强相关性，可由上述多个示意图清楚推敲，至于色偏的种类及原因在本文不多讨论，但最新、最需继续精进的广视角改善课题，却是色偏。因为篇幅所限，不在此论述。

广视角技术在大型液晶电视的最新产品应用

    广视角技术将产品应用扩展到完整的领域，等待的是大尺寸电视应用的产品到位，这场烟硝味极重的LCD TV之争，也只不过是最近一年左右的事，虽然目前家用电视市场仍以CRT为主，电浆显示器PDP的出现让消费者尝试到面积大、体积小的平面显示（Flat Panel Display,FPD）电视，但其有电力消耗过大，解析度不高、平均对比不足，明室对比不佳、平均亮度等加强的问题，液晶电视在50寸以下的胜出指日可待。

    开发广视角技术的轨迹可描述如下：初始滥于日本，南韩后来居上，而台湾紧跟在后。日本几乎以原始显示及制程技术开发为大宗、台湾则以不断提升大尺寸基板产能为优势，但可怕的是南韩兼具两者的发展。以MVA来说，最早在1998年由富士通（Fujitsu）提出，一直发展至今，仍稳居MVA的技术龙头，而台湾厂商，如友达、奇美持续投资建立更大基板生产线，提供其相对应产能，使日本与台湾合作的模式不断出现，台湾也因此于技术上获益不少，韩国三星则紧追日本，比台湾更积极投入显示技术研发，提出类似MVA的PVA模式。又以IPS为例，最早在1995年由Hitachi提出，后于1997年由Matsushiat改善提出2-Domain的S-IPS，解决了方位角的Blue/Yellow Shift问题，尔后似乎停摆了一阵子，但南韩LG电子则在此时悄悄继续改进，造就今天的LG.Philips Display（LGP）在IPS上的重要地位。台湾的友达、奇美、瀚宇彩晶、广辉等公司则在这一两年内持续投入五代厂或更大的六、七代厂投资，且各有日本的Fujitsu Display Technologies（FDTC）、Hitachi Display和Sharp的技术支援，这场激烈的竞赛看来还要持续一阵子。

现行真正量产的大型广视角技术，可分为：
（1）MVA系列：
a.Conventional MVA：奇美电子（CMO）；
b.P-MVA：友达光电（AUO）、FDTC；
c.PVA：Samsung；
d.CPA：Sharp。

（2）IPS系列：
a.Conventional IPS：无；
b.S-IPS：LG.Philips；
c.AS-IPS：Hitachi Display。
表3所列为2002年以来所有大型LCD-TV的产品规格及使用之广视角技术。

总结
    在TFT LCD厂商不断的更新显示结构、提升制程技术及提高大型化量产能力的努力下，把产品应用拉往更大尺寸之电视领域，所有家电厂商无不积极推出液晶电视，以投入这场由上游液晶显示面板厂商延续下来的战场。在各类广视角技术中，明显只剩MVA和IPS两项是往大尺寸电视应用发展的选择。应用方向的转变，使得昔日的广视角技术专注点由各式各样琳郎满目的结构转变为致力影像改善，如何提供更高正向对比、更大视角（包括对比、色偏、灰阶反转、穿透率均匀性等特性）、更快速反应（Rising Time、Falling time和灰阶间反应）、更高色浓度、更高亮度，以及解决态影像的模糊（Blurring）问题反而成为现今广视角技术更应投注的开发课题。